SEMCAD材料.pdf

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1、 专业的电磁兼容、天线仿真分析软件专业的电磁兼容、天线仿真分析软件SEMCAD SEMCAD 简介简介 SEMCAD 是瑞士 SPEAG 公司推出的一款主要针对电磁兼容（EMC），天线系统设计和生物电磁学的三维全波电磁仿真设计软件。它起源于瑞士联邦理工学院（Swiss Federal Institute of Technology）开发的基于交变方向隐式时域有限差分（ADI-FDTD）算法的电磁仿真工具，旨在全面解决无线电设备、生物医疗、汽车电子等领域的电磁兼容安全性问题。SEMCAD 软件在电磁兼容、天线系统分析设计、微波电路、电磁散射、光器件、汽车电子、生物电磁、医学医疗等领域有广泛的应用

2、。它可以帮助电磁相关部门和系统设计工程师避免在原型机或制造阶段付出昂贵的代价，将设计风险转移到计算机的数值模拟阶段，从而使企业减少设计时间，降低设计成本，提高产品质量和可靠性，缩短产品上市时间，最终增加企业利润。采用电磁仿真分析软件，借助高性能计算模拟进行产品设计、验证已经成了当今生产、研发领域必备的重要手段。目前，SEMCAD 凭借其高性能的 FDTD 求解器、无与伦比的计算速度和强大的多目标多参数多频率的优化功能，在 EMC 和天线设计等领域已经逐渐成为电磁仿真设计标准工具包，为电子、通信、医疗、航空、航天、汽车等行业提供有效的电磁设计解决方案。SEMCAD 功能特点功能特点 1 强大的建

3、模能力和丰富的强大的建模能力和丰富的 CAD 模型接口 模型接口 SEMCAD 采用国际上 CAD、CAE 软件流行的三维建模内核 ACIS，操作界面友好易用，QTech 算图引擎可轻松处理一万个以上的 CAD 元件，支持全参数化建模，可对模型分组归类，形成任意二维、三维阵列，有对模型的布尔操作、扫描、拉伸、平移、旋转、镜像、去面等功能。SEMCAD 提供丰富的软件接口，能够实现与 Pro/E,UG,Cartia 以及 Solidworks等 CAD 软件的模型无缝连接。SEMCAD 软件具有强大的模型接口功能，可以导入多种格式的文件，包括 SAT、IGES、Pro/E、STEP、CATIA

4、V4、CATIA V5、3DS、STL 和 DXF 等文件，对 PCB 电路板有专门的 Gerber 接口。SEMCAD 还提供对导入模型的修复功能。2 高性能高性能 FDTD 求解器求解器 算法是软件的核心，是计算机仿真与设计的灵魂。SEMCAD 的核心基本求解算法时域有限差分（FDTD）方法，已经被证明是计算电磁学中最通用，应用领域最广泛的电磁场数值求解方法。FDTD 方法有以下基本优点：1.直接时域计算：一次仿真可以模拟所有宽频带特性；2.广泛适用性：适合模拟包含任意复杂结构、任意介质分布的空间电磁环境；3.节约存储空间和计算时间：所需内存和仿真时间都与空间网格数成正比。SEMCAD 拥

5、有最先进的 FDTD 算法，包括有效减少网格误差的 C-FDTD(共形 FDTD)和无条件稳定的 ADI-FDTD。ADI-FDTD 消除时间步长对网格尺寸的依赖，为仿真大系统中的小尺度结构提供了有利支持。SEMCAD 是世界上第一个采用 C-ADI-FDTD 这一高效算法的商业电磁仿真软件。?Yee-FDTD 求解器。优化的 Yee 网格 FDTD 求解器,在主频为 3.4 GHz 的 P4 机器上每秒中可以求解 20-40 兆个单元。64 位求解器支持大于10 亿自由度的复杂问题求解。?C-FDTD 求解器。共形 FDTD 算法包含导体共形技术和介质共形技术,它摆脱了标准 FDTD 网格的

6、大量阶梯近似，有效减小网格误差，大大提高了计算准确性。标准 FDTD 共形 FDTD?ADI-FDTD 求解器。ADI-FDTD 摆脱时间步长对网格尺寸的依赖，可以无条件稳定，为仿真计算大系统中的小尺度结构提供了可能。?C-ADI-FDTD 求解器。结合了 C-FDTD 和 ADI-FDTD 两种算法。?EM-T 求解器。电磁与热耦合求解器，提供了强大的电磁与热分析平台，为人体 SAR 分析、设备热分析和 EMC 联合设计带来了极大的方便。?EM-SPICE 求解器。电路与电磁场联合求解器。另外，SEMCAD 还有可分析到静态场的低频电磁场求解器，独立的热求解器、并行 FDTD 求解器。3 实

7、用的优化设计 实用的优化设计 SEMCAD 软件具有基于遗传算法（GA）的多种优化设计功能，为提高产品质量提供了方便的设计工具。现将其优化功能总结如下：?CAD 导入模型的参数化转化导入模型的参数化转化?参数扫描功能参数扫描功能?自定义参数的敏感度分析自定义参数的敏感度分析?加权重的多目标优化加权重的多目标优化?多参数优化（参数个数可达到多参数优化（参数个数可达到 30）?多频率或宽带优化多频率或宽带优化?可对材料进行优化可对材料进行优化?支持蒙特卡罗分析支持蒙特卡罗分析?热优化中集成了进化算法热优化中集成了进化算法?远场优化远场优化?SAR 优化优化 SEMCAD 的优化功能 的优化功能 4

8、 硬件加速功能硬件加速功能 SEMCAD 是第一个提供硬件加速技术的 FDTD 工具包。目前，SEMCAD 提供的硬件加速方案包括两种：（1）加速适配卡 aXware 系列；（2）加速集群盒 CiB 系列。SEMCAD 软件配备了不同型号的加速适配卡和加速集群盒，使仿真速度增加几十倍甚至到上百倍，具体的参数可参考表格。加速集群盒CIB支持 64 位机器和系统，搭配多张并行的加速适配卡，其性能胜过超级计算服务器，有较高的性价比。CiB的使用，不仅可以达到每秒处理 15 亿个网格单元的速度，而且大大增强了SEMCAD求解问题的规模，使有细微结构的电大环境这种复杂电磁仿真分析成为了可能。硬件加速卡

9、aXware V3.0 加速集群盒 CiB 800 SEMCAD 未采用和采用加速器的计算时间与竞争对手比较 不同型号硬件加速器的相关技术参数统计 硬件加速器 硬件加速器 aXware V1.0 aXware V2.0aXware V3.0CiB 800 CiB 1000 CiB 1500 接口/平台 接口/平台 PCI x 16 PCI x 16 PCI x 16 两个并行两个并行V2.0 卡卡 两个并行两个并行V3.0 卡卡 四个并行四个并行V3.0 卡卡 速度 速度 200 Mcell/s 400 Mcell/s500 Mcell/s800 Mcell/s1500 Mcell/s 170

10、0 Mcell/s加速倍数 加速倍数 5-10 倍倍 10-20 倍倍 10-25 倍倍 15-30 倍倍 30-40 倍倍 30-50 倍倍 仿真规模 仿真规模 14 Mcells 28 Mcells 40 Mcells 75 Mcells 128 Mcells 200 Mcells加速器内存 加速器内存 512 MB 1 GB 1.5 GB 2 GB 3 GB 6 GB 5 全面的后处理能力 全面的后处理能力?得到瞬态或稳态电磁场场量（得到瞬态或稳态电磁场场量（P，B，D，E，H，J，S 等）等）?任意二维和三维的场分布图及动态显示任意二维和三维的场分布图及动态显示?可输出直角坐标图、极坐

11、标图和可输出直角坐标图、极坐标图和 Smith 圆图圆图?近场、远场参数（近场、远场参数（TIS、TRP、RCS 等），天线参数，等），天线参数，Z，U，I，P 等等?SAR 分布、平均分布、平均 SAR（Av.1g/10g/任意任意 IEEE 1529）?多端口多端口 S 参数计算（波导，微带线等）参数计算（波导，微带线等）?自动的失效模式及后果分析（自动的失效模式及后果分析（FMEA）?多个结果的比较分析多个结果的比较分析?输出时域或频域数据（输出时域或频域数据（FFT、DFT），可存为），可存为 Text、Word、Excel 等格式文件等格式文件?数据可输出到电路分析包，实现场路耦合求

12、解数据可输出到电路分析包，实现场路耦合求解?显示结果可直接存储为图像文件显示结果可直接存储为图像文件?可导入可导入 DASY4、DASY5、iSAR 的测量数据（近场、远场），直接进行比较的测量数据（近场、远场），直接进行比较 6 各种复杂材料处理能力 各种复杂材料处理能力 SEMCAD 有强大的各种复杂材料的分析能力，材料总结到如下表格。?有耗电介质、磁介质有耗电介质、磁介质?色散材料色散材料 Debye、Lorentz 等等?非线性材料非线性材料 Drude 等等?各向异性材料各向异性材料?有耗色散磁材料有耗色散磁材料?非线性磁性材料非线性磁性材料?磁化铁氧体磁化铁氧体?人工材料人工材料?

13、左手材料（双负介质）左手材料（双负介质）?真实有耗金属，薄金属片和涂敷真实有耗金属，薄金属片和涂敷?温度相关的材料温度相关的材料 SEMCAD 可分析的材料 可分析的材料 左手材料 7 完整的标准人体模型库完整的标准人体模型库 SEMCAD 提供完整的生物电磁学国际标准人体模型库，模型分辨率能达到0.1mm 以下。用户在解决生物电磁兼容问题时，可方便的直接导入所需的各种复杂人体模型。人体模型库包括儿童、成年、老年、少年，男性、女性，人脑、骨骼，血管、欧洲人、亚洲人等全部国际标准模型。SEMCAD 有多种可变换姿势的手模型,能轻松对三维人体模型的各种姿势进行调整。此外，SEMCAD 还提供标准的

14、动物模型库（如老鼠）和医疗设备模型库（如核磁共振 MRI 系统）等。SEMCAD 典型应用典型应用 一一 EMC/EMI 1 GPU 芯片和 PCB 板的仿真 模型为带有 76 个管脚的 GPU 芯片和 PCB 布线的显卡。芯片模型从 CAD 数据导入,PCB板的布局从 Gerber 文件导入。GPU 芯片用 PEC 地平面模拟,通过负载电阻与 76 个管脚连接，整个芯片嵌入在有损电介质内。8 个不同激励端口被用来激励不同的数据线，研究了不同端口的交叉耦合效应和芯片电流分布。GPU 芯片和 PCB 线（由 CAD 和 Gerber 文件导入）5GHz 的表面电流分布 2 机箱屏蔽性能 为研究

15、PC 机箱的电磁泄露问题，SEMCAD X 导入一个具体的 PC 机箱 CAD 模型。SEMCAD X 一次性仿真带宽达到 10GHz 的超宽带响应，从而获得相关的远场参数和相关性能信息。机箱系统 机箱内表面电流分布 3 带人体的汽车多天线系统（GSM、蓝牙、单极天线）在汽车不同位置分别放置 GSM 天线，蓝芽和单极天线，分析整个汽车的近场分布，人体的 SAR 分布和 S 参数。由于天线的存在，汽车成为电大尺寸模型，采用 SEMCAD 的硬件加速技术，可在合理时间内轻松解决。带人体的汽车模型 GSM 频段的 SAR 分布 二二 天线系统天线系统 1 Vivaldi 天线是国际上验证电磁软件准确

16、性的标准天线分析模型。用四分之一波长的波导作为激励源，SEMCAD 在场变化剧烈的地方加密网格来有效提高准确性，通过一次仿真得到频带 1-10GHz 内的反射系数、输入阻抗和辐射效率、增益等参数。Vivaldi 天线 仿真结果与其它软件的比较 2 折叠单极天线由带状线构成，安置在 PCB 板上，用 50 欧姆的带状线馈电，一个 3 单元的 T 形匹配网络用来和天线输入端匹配。天线的带状线宽度用 3-5 个网格离散，介质基片厚度剖分成 5 个网格。远场结果类似标准单极天线。嵌入 PCB 板的折叠单极天线 3 Moto T250 手机系统的近场分析 手机系统(Moto T250)4 天线优化 此实

17、例考虑手机真实环境下（考虑人手和人脑的影响），手机辐射参数的优化。对手机贴片天线的优化目标是在 850MHz 到 950MHz 之间反射损耗低于-10dB，通过优化天线的缝隙大小和贴片的位置等参数，达到优化目的。手机真实环境 EMC（考虑手和人脑的影响）手机系统的参数优化（S11，SAR，方向图）三三 生物电磁学生物电磁学 1 磁共振成像 MRI 系统的场分析，考虑的人体为国际标准模型，包括 100 多处组织。MRI工作频率 64MHz，人体最小网格 1mm。采用硬件加速器 CiB800，仿真时间小于 1 个小时。MRI 系统 电场分布 64MHz 人体 SAR 分布 2 SAR 优化设计 3

18、 射频加热治疗仓 人体热分布 4 人体嵌入起搏器 有无起搏器的人体 SAR 比较 5 室内天线辐射形成的人体 SAR 分布 四四 其它微波工程：其它微波工程：飞机 RCS（24.5 Mcell，CIB800 上仿真小于 10 分钟）汽车双站 RCS 光子晶体功分器的磁场分布 微带定向耦合器电场分布(f=6.5GHz)T-Junction 电场分布（f=15GHz）软件支持平台：软件支持平台：?Win 2000 32 位?Win XP 32/64 位?RedHat Linux 32/64 位?Mandrake Linux 32/64 位?SuSE Linux 32/64 位?Mac OSX?SU

19、N Solaris V8 或更高?SG，HP 等 北京天源博通科技有限公司介绍北京天源博通科技有限公司介绍 北京天源博通科技有限公司成立于 2000 年，主要从事工程仿真分析和工程咨询业务，旨在成为工程仿真及数值仿真软件及其相应服务的提供商。从 2007 年天源博通公司成为瑞士SPEAG公司的SEMCAD三维全波电磁分析设计软件在在大陆的总代理商，从此开始为国内电子行业提供从热设计到电磁设计等完整的工程服务和技术支持。提供高效、优质的服务，协助用户取得成功是天源博通科技有限公司秉承的宗旨。非常欣慰的是天源科技几年来的服务赢得了用户的认同和赞赏以及同行的尊敬。天源科技将一如既往地提供更加全面的深层次服务，在虚拟样机系统工程实施，提高数字化设计与制造水平方面，尽自己的一份力量服务中国。大量的工程经验表明，依托国外优秀的工程仿真及数值仿真软件可以加快我国工业界的技术、产品开发能力，节约大量的人力物力资源。天源博通科技有限公司将坚持不懈地努力为用户提供最优秀的工程仿真分析软件和技术服务，使用户更高效地解决复杂的问题，减少试验次数，节省产品开发费用，缩短产品设计周期，帮助用户增强产品的市场竞争力。